열역학 질문 (Thermodynamics, Entropy, Reversible, Irreversible, Open System, Closed System)

질문 요약

열역학 공부 중 궁금한 점이 몇 가지 있습니다. 1. 엔트로피 식 dS=deltaQ/T와 dS=m*c*ln(T2/T1)의 관계와 예제에서, irreversible 과정에서도 (deltaQ/T)의 T값은 어떤 온도를 의미하는지 궁금합니다. 2. 밀폐계와 개방계에서의 일의 차이에 대해 설명 부탁드립니다. 오픈계 1법칙에서의 W가 vdp인지 알고 싶습니다. 3. Steady state에서 내부에너지를 0으로 볼 수 있는 이유가 맞는지 확인 부탁드립니다. 4. 개방계에서의 엔트로피 방정식에서 summation mdot*s 개념에 대해 설명해주세요.

답변 요약

첫 번째 질문: 엔트로피 식 관련 궁금한 점은 유튜브 강의에 자세히 설명되어 있습니다. 주요 포인트는 호수의 경우 reversible이 아닙니다. 호수의 온도가 일정해도 현실의 열전달은 대부분 irreversible입니다. 엔트로피 전달에 대한 개념을 이해하는 것이 중요합니다. 각 온도의 처리 방법도 강의에 포함되어 있습니다. 수강을 추천드립니다. 두 번째 질문: 밀폐계와 개방계에서의 일의 차이는 아래 링크에서 공부해보세요. 오픈계에서의 W값은 vdp가 맞습니다. https://godjunpyo.com/열역학-개방계에서의-일은-왜-vdp일까/ 세 번째 질문: Steady state는 시간에 따라 변하지 않는 상태입니다. 하지만 내부에너지가 0이라고는 할 수 없습니다. dE/dt가 0이라는 것은 시간에 따른 에너지 변동이 없다는 뜻이지, 에너지 자체가 0이라는 뜻은 아닙니다. 네 번째 질문: 개방계에서의 엔트로피 전달에 관한 설명은 아래 그림을 참고해주세요. http://file.unistudy.co.kr/SEDATA/dylee_mqna_20201109091135.png, http://file.unistudy.co.kr/SEDATA/dylee_mqna_20201109091215.png, http://file.unistudy.co.kr/SEDATA/dylee_mqna_20201109091234.png

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열역학 질문에 대한 답변

열역학 공부 중 몇 가지 궁금한 점에 대한 답변을 정리해보았습니다. 본 내용이 여러분의 학습에 도움이 되기를 바랍니다.

1. 엔트로피 식과 관련된 질문

   엔트로피 식 \( dS = \frac{\delta Q}{T} \)와 \( dS = m \cdot c \cdot \ln \left( \frac{T_2}{T_1} \right) \)의 관계에 대해 궁금해하셨습니다. 두 식은 각각 다른 조건에서 유도된 것입니다.

   • \( dS = \frac{\delta Q}{T} \)는 온도가 일정한 가역 과정에서의 엔트로피 변화를 나타냅니다. 이때 T는 열이 전달되는 과정 동안의 일정한 온도입니다. 그러나 비가역 과정에서는 이 식을 단순히 사용할 수 없습니다.

   • \( dS = m \cdot c \cdot \ln \left( \frac{T_2}{T_1} \right) \)는 비열 c를 가지는 물질의 온도가 T1에서 T2로 변할 때의 엔트로피 변화를 나타냅니다. 이 식은 온도가 서서히 변하는 가역 과정에서 유도된 것입니다.

   현실에서의 열전달은 대부분 비가역 과정입니다. 따라서 비가역 과정에서는 주어진 온도 T를 어떤 특정 온도로 해석하기보다는 엔트로피 생성 (\( dS_{gen} \))을 고려해야 합니다.

2. 밀폐계와 개방계에서의 일의 차이

   밀폐계와 개방계에서의 일의 차이에 대해 설명드리겠습니다.

   • 밀폐계 (Closed System): 밀폐계에서는 시스템 내의 물질이 외부와 교환되지 않습니다. 따라서 시스템 경계에서의 일을 고려해야 합니다. 주로 \( W = - \int_{V_1}^{V_2} P dV \)의 형태로 나타납니다.

   • 개방계 (Open System): 개방계에서는 물질이 외부로 들어오거나 나갈 수 있습니다. 따라서 유동 일과 경계 일을 모두 고려해야 합니다. 개방계에서의 일은 주로 \( W = \int_{P_1}^{P_2} V dP \)의 형태로 나타납니다.

   자세한 설명은 다음 링크를 참고하세요. 공부 링크

3. Steady State에서의 내부에너지

   Steady state (정상 상태)란 시간에 따라 시스템의 상태가 변하지 않는 상태를 의미합니다. 따라서 내부 에너지가 변하지 않음을 의미하기 위해 \( \frac{dE}{dt} = 0 \)라고 표시합니다. 그러나 이는 내부 에너지 자체가 0이라는 뜻은 아닙니다. 내부 에너지는 시스템 내의 전체 에너지이며, 이는 특정 값으로 유지될 수 있습니다.

4. 개방계에서의 엔트로피 방정식

   개방계에서의 엔트로피 변경 방정식은 다음과 같습니다.

   \[ \frac{dS_{sys}}{dt} = \sum \dot{m}_{in} s_{in} - \sum \dot{m}_{out} s_{out} + \dot{S}_{gen} \]

   여기서 \( \sum \dot{m} s \)는 유량과 엔트로피의 곱을 나타내며, 이는 시스템 내부로 들어오거나 나가는 엔트로피를 의미합니다. 각 유량에 대한 엔트로피의 곱을 통해 전체 엔트로피 변화를 계산할 수 있습니다.

   보다 자세한 설명은 아래 그림을 참고하세요.

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이 블로그 글이 여러분의 열역학 공부에 도움이 되기를 바랍니다. 추가적으로 궁금한 점이 있다면 언제든지 질문해 주세요!

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